Massa que dá para pesar, mas não para ver
Astrônomos pesam as coisas pelo jeito como elas se movem. A velocidade de um planeta em volta do Sol dá a massa do Sol; a velocidade de uma estrela em volta do centro da galáxia dá a massa dentro da sua órbita. Quando se faz isso com galáxias e aglomerados, o resultado é muito maior do que todas as estrelas, o gás e a poeira juntos. A parte que falta se chama matéria escura: ela atrai pela gravidade, mas não emite nem absorve luz.
Como sabemos que ela existe
As evidências vêm de várias direções independentes, e é por isso que a maioria dos físicos a leva a sério.
- Aglomerados de galáxias. Em 1933, Fritz Zwicky mediu a velocidade das galáxias no aglomerado de Coma e viu que elas se moviam tão rápido que o aglomerado já teria se desfeito, a menos que tivesse centenas de vezes mais massa do que a luz indicava.
- Curvas de rotação. Nos anos 1970, Vera Rubin e Kent Ford mostraram que as estrelas na borda das galáxias espirais giram tão rápido quanto as mais próximas do centro. A matéria visível prevê que elas deveriam desacelerar. A nossa resposta sobre curvas de rotação de galáxias trata disso em detalhe.
- Lentes gravitacionais. A massa desvia a luz. Mapeando como as galáxias ao fundo aparecem distorcidas, dá para ver onde está a massa, e em volta de galáxias e aglomerados há muito mais dela do que se enxerga.
- O Aglomerado da Bala. Nesse par de aglomerados que colidiram, o gás quente, que é a maior parte da matéria comum, foi freado no choque, enquanto a massa medida pela lente passou direto. Douglas Clowe e colegas publicaram o mapa em 2006. A massa e a matéria visível ficaram em lugares diferentes.
- A radiação cósmica de fundo. O padrão de pontos quentes e frios deixado pelo universo jovem depende de quanta matéria interage com a luz e quanta não interage. O ajuste do satélite Planck em 2018 dá cerca de 5% de matéria comum, 27% de matéria escura e 68% de energia escura.
Do que ela pode ser feita
Ninguém sabe. Os principais candidatos:
- WIMPs, partículas massivas de interação fraca, que surgem naturalmente em extensões do Modelo Padrão. Por décadas foram as favoritas.
- Áxions, partículas muito leves propostas originalmente para resolver outro enigma, na física da força forte.
- Neutrinos estéreis, parentes mais pesados dos neutrinos comuns que só sentem a gravidade.
- Buracos negros primordiais, formados nos primeiros instantes após o Big Bang. As observações descartam a maioria das faixas de massa em que eles poderiam ser toda a matéria escura.
A busca até agora
Bem fundo debaixo da terra, detectores como o LZ, em Dakota do Sul, e o XENONnT, na Itália, esperam que uma partícula de matéria escura bata num núcleo atômico dentro de toneladas de xenônio líquido. O ADMX tenta captar áxions que, num campo magnético forte, viram fótons de micro-ondas. O Grande Colisor de Hádrons procura energia que some depois das colisões. Nenhum achou nada até agora, mas cada resultado nulo estreita o lugar onde a matéria escura pode se esconder.
Enquanto isso, telescópios mapeiam a matéria escura pela gravidade: o telescópio espacial Euclid, lançado em 2023, e o Observatório Vera C. Rubin medem lentes fracas em bilhões de galáxias.
Dúvidas e alternativas
Sem partícula detectada, as alternativas continuam vivas. A MOND, proposta por Mordehai Milgrom em 1983, muda a lei da gravidade em acelerações muito baixas e prevê muitas curvas de rotação só com a matéria visível. A gravidade emergente de Erik Verlinde tenta derivar um efeito parecido da teoria da informação. Ambas têm dificuldade com aglomerados de galáxias e com a radiação cósmica de fundo, onde a matéria escura funciona bem. A resposta sobre curvas de rotação compara as duas.
Onde este programa se situa
O programa de pesquisa deste site não propõe um modelo de matéria escura. O seu preprint, Pointer Architecture v9.0, trabalha no nível de um substrato computacional formal; a sua única afirmação cosmológica reproduz a estimativa holográfica padrão da energia escura, que trata da expansão do universo e não diz nada sobre a composição da matéria escura.
Conclusão
A matéria escura é um efeito bem medido de causa desconhecida. As suas marcas gravitacionais concordam em galáxias, aglomerados, lentes e no universo jovem, e por isso ela segue como explicação padrão. Do que ela é feita é uma das maiores perguntas em aberto da física.